近年來,深度學習技術(shù)突破引領(lǐng)人工智能算法進一步提升,出現(xiàn)了更加先進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和算法,并融入各種新型應(yīng)用領(lǐng)域。算法復雜度的提升以及數(shù)據(jù)量的增加,推動對算力的需求呈現(xiàn)出多元化的爆發(fā)增長態(tài)勢,這也使得芯片制造業(yè)面臨著全新的挑戰(zhàn)和機遇。

長期以來,芯片行業(yè)的發(fā)展遵循“摩爾定律”,即在價格不變的情況下,集成在芯片上的晶體管數(shù)量每隔18到24個月將增加一倍。換言之,處理器的性能大約每兩年翻一倍。然而,隨著芯片上晶體管數(shù)量不斷增多,體積不斷縮小,柵極泄漏、過量發(fā)熱等物理問題制約著摩爾定律的進一步延續(xù)。部分業(yè)內(nèi)人士認為,“摩爾定律”將在2025年左右失效,這將導致日益增長的算力需求陷入停滯。

為了延長摩爾定律的“壽命”,科學家們在各個領(lǐng)域不斷進行研究與創(chuàng)新,探索技術(shù)演進新方向,新架構(gòu)、新集成、新設(shè)備、新材料逐漸成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。其中,二維材料是一個備受關(guān)注的研究方向。二維材料是一種特殊的材料,部分二維材料具有優(yōu)異的物理、化學性質(zhì)和表面特征,在電子器件、催化劑、傳感器等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

“目前,中國在硅基芯片設(shè)計與制作方面與國際領(lǐng)先水平的高端技術(shù)和設(shè)備方面存在一定差距。新型材料的研究與發(fā)展,可以直接影響芯片的性能,甚至逐漸影響芯片設(shè)計的底層邏輯,或許是從根本上拉進甚至消除這一差距的潛在機會。”新澤西理工學院研究工程師王曉天博士認為,把盡可能多的專利掌握在自己手中,才能在國際合作中占據(jù)主導地位。

據(jù)王曉天博士介紹,二維材料具有很多獨有的特點和優(yōu)勢,在晶體管與芯片研發(fā)領(lǐng)域備受關(guān)注。與傳統(tǒng)三維材料相比,二維材料僅有一個原子或幾個原子的厚度,這使得它們非常輕薄,透明度好,同時具有極高的延展性和可彎曲性。除此以外,二維材料在生物醫(yī)學,能源儲存,以及機械領(lǐng)域也都有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前,王曉天博士及所在的Yang團隊研究的二維材料是過渡金屬硫化物。過渡金屬硫化物是一類由過渡金屬和硫?qū)僭卦咏M成的化合物,在單層狀態(tài)下表現(xiàn)出半導體性質(zhì)并具有直接帶隙,使其在電子學、光電子學中有著巨大的研究潛力與廣闊的應(yīng)用前景。

對于過渡金屬硫化物,其傳統(tǒng)制備方法主要依靠機械剝離、化學氣相沉積和液相剝離等方法,但這些方法存在著產(chǎn)量低、缺少對合成材料的控制、材料質(zhì)量難以保障等問題,使得將這種材料真正應(yīng)用到商業(yè)產(chǎn)品的進程大大減緩。

如何推動量產(chǎn),實現(xiàn)材料加速應(yīng)用?王曉天博士及所在的Yang團隊選擇專注于如何實現(xiàn)過渡金屬硫化物的可控生長與摻雜控制。“可控生長對于二維材料的合成非常重要,如果能實現(xiàn)對生長位置,生長面積以及結(jié)晶化程度的控制,將會推動二維材料從實驗室走向產(chǎn)業(yè)界邁出重要的一步。”王曉天博士說。

通過結(jié)合光刻技術(shù)與接觸性生長法,王曉天博士成功實現(xiàn)了使用化學氣相沉積對二硫化鉬在硅基基底特定位置上的生長合成以及晶化結(jié)構(gòu)的控制,同時結(jié)合3D打印技術(shù),首次實現(xiàn)了二硫化鉬陣列的大范圍定點轉(zhuǎn)移。這些研究成果可以極大提高相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率并且減少二維材料在轉(zhuǎn)移過程中可能受到的污染。

此外,王曉天博士所在的Yang團隊合成的鐵磁二硫化鉬,是第一個室溫下保持鐵磁性的二維鐵摻雜稀磁半導體材料,對于未來光子微處理器的制造,量子信息科學中芯片上的磁性操控,以及縮小自旋電子設(shè)備和存儲設(shè)備儲存單元體積等應(yīng)用有著重要的引路作用。

近年來,中國在二維材料的研究領(lǐng)域投入了大量的精力與財力,也取得了突飛猛進的發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示,在材料科學領(lǐng)域,中國發(fā)表的SCI論文數(shù)量已連續(xù)多年在全球各國中排名第一。

人才是科技創(chuàng)新的重要基石,在微納米制造領(lǐng)域也不例外。就如何提升我國微納米制造人才的數(shù)量和質(zhì)量,王曉天博士提出以下幾點建議:加強基礎(chǔ)科學教育;加大對高校及科研機構(gòu)的支持力度,鼓勵高校積極參與微納米制造領(lǐng)域的科學研究和技術(shù)創(chuàng)新;加大對企業(yè)的支持力度,鼓勵產(chǎn)學研合作,促進微納米制造領(lǐng)域技術(shù)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用,同時為企業(yè)提供更多的人才支持;加強學術(shù)交流,彌補某些實驗設(shè)備的不足,為自身的研究帶來新的思路;提供更好的人才待遇和發(fā)展機會,提高人才的職業(yè)滿意度和歸屬感,進而提高微納米制造人才的數(shù)量和質(zhì)量。

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